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        對(duì)一道物理題的分析

        2018-01-02 03:30:24周新雅王嘉瑋朱玲慧
        物理通報(bào) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:物理題動(dòng)滑輪圓筒

        鄒 芳 周新雅 王嘉瑋 朱玲慧

        (江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西 南昌 330022)

        對(duì)一道物理題的分析

        鄒 芳 周新雅 王嘉瑋 朱玲慧

        (江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西 南昌 330022)

        習(xí)題是教學(xué)過(guò)程中的重要資源,通過(guò)對(duì)一些優(yōu)質(zhì)習(xí)題的分析解答研究,可以有效地提高教師以及學(xué)生的解題能力,并培養(yǎng)思維能力,特別是對(duì)一些易錯(cuò)題的分析解答,可以讓我們更好地吃透知識(shí)點(diǎn).通過(guò)對(duì)一道易錯(cuò)物理題的分析、拓展,期望可以對(duì)讀者有所啟發(fā).

        習(xí)題 分析 解答 拓展 物理

        1 問(wèn)題的提出

        如圖1所示,直徑為d的圓筒上繞著繩子,某同學(xué)用大小不變的力F拉著繩子的自由端使圓筒在地上滾動(dòng),則他使圓筒滾動(dòng)一周所做的功是( )

        A. 0 B. πdF

        C. 2πdFD. 4πdF

        圖1 題圖

        2 對(duì)該題的分析

        這是一道易錯(cuò)題,很多教師會(huì)毫不猶豫地選擇B選項(xiàng),他們認(rèn)為這里的受力物體是圓筒,圓筒受到一個(gè)向右的力F,在F的作用下,圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周所移動(dòng)的距離就是圓的周長(zhǎng),即πd,將此數(shù)據(jù)代入求功公式W=Fs,即可得出B選項(xiàng)的答案,然而這是錯(cuò)的,他們錯(cuò)在選錯(cuò)了研究對(duì)象,F(xiàn)作用的對(duì)象應(yīng)該是繩端.以繩端為研究對(duì)象的話,使圓轉(zhuǎn)動(dòng)一周,繩端移動(dòng)的距離應(yīng)該是2πd.由此就可得出這道題的正確答案:C選項(xiàng).

        實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn),我們可以通過(guò)動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)來(lái)解答此題,這里需注意的是繩子是繞在圓筒上的,而圓筒是滾動(dòng)的.我們以繩端為研究對(duì)象,當(dāng)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí),我們通過(guò)圖2的圖解,就可以很清楚地看出當(dāng)圓筒轉(zhuǎn)過(guò)一周后,繩端移動(dòng)的距離應(yīng)該是2πd.

        圖2 實(shí)物模擬圖

        同時(shí),這道題我們還可以從動(dòng)滑輪的角度去理解.圓筒在地面上滾動(dòng)時(shí)形成一個(gè)動(dòng)滑輪,當(dāng)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí),圓筒轉(zhuǎn)過(guò)的距離為其周長(zhǎng)πd,根據(jù)動(dòng)滑輪的工作原理,物體運(yùn)動(dòng)的距離是繩子自由端運(yùn)動(dòng)距離的一半,所以這個(gè)過(guò)程中力F在物體運(yùn)動(dòng)方向上做功的距離是圓筒運(yùn)動(dòng)距離的2倍,即2πd.根據(jù)功的計(jì)算公式得出力F所做的功:W=FS=2πdF,故選C.

        3 對(duì)該題的擴(kuò)展

        如果上述題目中的圓筒是平動(dòng),而非滾動(dòng)的話,那么就是另一個(gè)情況了.如果圓筒是平動(dòng)的,那么當(dāng)圓筒移動(dòng)其一周的長(zhǎng)度,即πd時(shí),繩端移動(dòng)的長(zhǎng)度也是πd.將此數(shù)據(jù)代入求功公式W=Fs,那么使圓筒平動(dòng)一周力F所做的功就是πdF了.

        由此題,可以聯(lián)想到平動(dòng)滾動(dòng)問(wèn)題講解過(guò)程中的一個(gè)問(wèn)題:讓半徑為r的圓環(huán)繞半徑為3r的圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),問(wèn)繞大圓環(huán)一周時(shí),小圓環(huán)轉(zhuǎn)了多少圈?

        此題有些同學(xué)會(huì)按照常規(guī)思路:在小圓環(huán)上選取某一點(diǎn)為參考,小圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周轉(zhuǎn)過(guò)的路程是小圓環(huán)的周長(zhǎng),即2πr,而大圓環(huán)的周長(zhǎng)是6πr,所以小圓環(huán)繞著大圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)繞大圓環(huán)一周時(shí),小圓環(huán)轉(zhuǎn)了3圈.但是這個(gè)結(jié)論卻不經(jīng)實(shí)踐的考驗(yàn).用硬紙殼分別裁剪出符合條件的圓環(huán),讓小圓環(huán)緊繞著大圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)繞一周時(shí),小圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)了4圈,并不是前面推理的3圈.這是為什么呢?我們用幾何畫(huà)板對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行演繹,并選取圓心為參考點(diǎn),得到如表1所示的結(jié)果.

        表1 幾何畫(huà)板演繹結(jié)果

        其結(jié)果與實(shí)踐操作的結(jié)論一致,將小圓環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡顯示出來(lái)可以發(fā)現(xiàn),小圓環(huán)轉(zhuǎn)過(guò)的距離其實(shí)是圓心走過(guò)的路程,就是以小圓圓心到大圓圓心距離為半徑的圓的周長(zhǎng),而選擇圓環(huán)上的其他點(diǎn)進(jìn)行演繹的時(shí)候,結(jié)果卻并非如此,選取不同的點(diǎn)結(jié)論不同.這是因?yàn)樾A環(huán)的圓心是其質(zhì)點(diǎn),所以可以用它來(lái)代表圓環(huán),以其為參考點(diǎn)可得出正確結(jié)論,而圓環(huán)上的其他點(diǎn)都不是質(zhì)點(diǎn),不能用其轉(zhuǎn)過(guò)的路程來(lái)代表小圓轉(zhuǎn)過(guò)的路程,所以以其他點(diǎn)來(lái)參考的時(shí)候會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果.

        綜上分析可得出,小圓環(huán)繞大圓環(huán)一周其轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)

        n=

        這兩道題都是稍不注意就容易出錯(cuò)的,我們?cè)谄綍r(shí)的解題過(guò)程以及習(xí)題教學(xué)中可以采用多種方式共同作用來(lái)幫助理解并將問(wèn)題分析透徹.在這兩道題中,建立實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)際操作和采用幾何畫(huà)板進(jìn)行演繹獲得了較好的效果.

        2017-09-16)

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